便攜式多功能頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹新建，施 雷

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434200)

0 引言

測量頻率的方法主要分為分頻法測量、外部中斷測量和計(jì)數(shù)器測量。隨著科技的不斷發(fā)展，頻率計(jì)作為測量頻率的儀器已廣泛應(yīng)用于電路信號測量、電機(jī)控制、開關(guān)電源選頻和時(shí)鐘頻率測量等領(lǐng)域，且基于頻率計(jì)組成的各種測量儀器、控制設(shè)備、實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)也已應(yīng)用到國計(jì)民生的各個方面[1-2]。其中數(shù)字頻率計(jì)作為一種最基本的測量儀器以其測量精度高、速度快、操作簡便、數(shù)字顯示等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。然而大多數(shù)頻率計(jì)是基于FPGA或者元件可編程邏輯門陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然具有采樣速度快、數(shù)據(jù)處理快等優(yōu)點(diǎn)，但是其功能較為單一、成本較高，上手難度較大，且體積較大，不便攜帶[3]。

本文基于Cortex-M0內(nèi)核，結(jié)合外部中斷計(jì)數(shù)法與定時(shí)器計(jì)數(shù)法，根據(jù)模塊化與程序化設(shè)計(jì)理念，采用C語言編程，設(shè)計(jì)了高精度便攜式多功能頻率計(jì)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)STM32F103C6T6進(jìn)行模擬信號的處理與方波的產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)50 mV～30 V的方波、正弦波等信號測量，測量范圍最小1 Hz，最大25 MHz，可產(chǎn)生任意占空比頻率的方波，方波頻率最小1 Hz，最大1 MHz。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

系統(tǒng)主要包括電源電路、信號放大與整形電路、按鍵電路、STM32工作電路、顯示電路、方波放大電路等?？刂破鞑捎肧TM32系列中低功耗高性能芯片STM32F103C6T6，用于完成數(shù)字頻率計(jì)周期的測量，實(shí)現(xiàn)對頻率和占空比的測量。使用STM32自帶的高級定時(shí)器，可產(chǎn)生不同頻率、不同占空比的方波。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1 頻率測量與頻率計(jì)數(shù)

頻率計(jì)數(shù)采用STM32定時(shí)器外部計(jì)數(shù)功能，每檢測到1個脈沖，計(jì)數(shù)器加1[4]；頻率與周期的測量采用STM32外部中斷法與定時(shí)計(jì)數(shù)器結(jié)合法，采用定時(shí)器的捕獲功能來獲取頻率的占空比。為了快速、精準(zhǔn)測量高頻和低頻信號，系統(tǒng)針對不同頻率，選擇不同閘門時(shí)間，可以更加精準(zhǔn)快速地獲取頻率，具體公式如下：

(1)

式中：T為閘門時(shí)間，s；f為實(shí)際測量頻率，Hz。

1.2 方波產(chǎn)生

STM32的定時(shí)器可以產(chǎn)生方波，為了增加方波占空比的細(xì)分?jǐn)?shù)，需對定時(shí)器的分頻系數(shù)PSC、重裝載值A(chǔ)RR進(jìn)行相關(guān)配置。其中PSC決定方波的最大頻率，ARR決定方波占空比調(diào)節(jié)靈敏度。針對主頻72 MHz的單片機(jī)，最優(yōu)方波信號配置如下：

(2)

式中：PSC為定時(shí)器的預(yù)分頻系數(shù)，Hz；f為測量頻率，Hz；x為頻率系數(shù)。

(3)

(4)

式中：ARR為方波的重裝載值；t為重裝載值系數(shù)。

(5)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

本設(shè)計(jì)采用TPS5430穩(wěn)壓芯片與AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片，分別提供5 V 電壓、3.3 V電壓[5-6]。系統(tǒng)電源電路如圖2所示?？山尤?2～36 V直流電壓，經(jīng)電容濾波，TPS5430 穩(wěn)壓、電感穩(wěn)流后輸出5 V電壓[7]，經(jīng)AMS1117-3.3輸出3.3 V電壓。12 V電壓用于調(diào)節(jié)方波輸出的幅值，5 V電壓用于顯示裝置，3.3 V用于單片機(jī)工作。

圖2 電源電路圖

2.2 信號放大與整形電路

信號放大電路主要由SS8050三極管構(gòu)成，整形電路主要由TLV3501比較器和穩(wěn)壓二極管構(gòu)成。SS8050是常用的NPN型二極管[8]，與電阻和電容組成共發(fā)射極放大電路，將輸入的正弦波、方波進(jìn)行同向放大，經(jīng)整形電路后將輸出穩(wěn)定的3.3 V方波。整個信號處理電路接入5 V電壓，當(dāng)輸入信號幅值過大時(shí)，將輸入信號控制在5 V之內(nèi)。具體信號處理電路圖如圖3和圖4所示。

圖3 信號放大電路

圖4 信號整形與穩(wěn)壓電路

2.3 方波放大電路

方波放大電路主要由PC817光電耦合器和SS8050三極管構(gòu)成，PC817將單片機(jī)輸出的方波與方波驅(qū)動器進(jìn)行隔離[9-10]，通過滑動變阻器調(diào)節(jié)方波峰值電壓。方波放大電路圖如圖5所示。

圖5 方波放大電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由STM32F103組成微機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件的功能主要包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、鍵盤處理、模式切換、測量數(shù)據(jù)的讀取和處理。樣機(jī)面板主要由5個按鍵和2個4位LED數(shù)碼管組成。按鍵可以進(jìn)行功能的選擇和設(shè)置，系統(tǒng)上電后，默認(rèn)為頻率測量模式，測量數(shù)據(jù)直接在LED數(shù)碼管上顯示。本便攜式頻率計(jì)的軟件主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.1 頻率獲取

頻率獲取采用外部中斷與定時(shí)器外部計(jì)數(shù)結(jié)合法，在頻率小于10 kHz時(shí)，采用外部中斷計(jì)數(shù)法更準(zhǔn)確，在頻率大于10 kHz、小于25 MHz時(shí)，采用定時(shí)器外部計(jì)數(shù)法更準(zhǔn)確。采用STM32定時(shí)器捕獲功能獲取頻率占空比，具體流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)頻率測量流程圖

3.2 方波發(fā)生器

便攜式頻率計(jì)自帶一路信號發(fā)生器，可穩(wěn)定產(chǎn)生1 Hz～1 MHz的方波，通過按鍵調(diào)整方波頻率、占空比，具體流程如圖8所示。

圖8 方波產(chǎn)生流程圖

修改PSC與ARR的值改變方波的頻率，修改N值改變方波的占空比，占空比是方波重要參數(shù)之一，具體公式如式(6)所示。

D=[ARR÷(100÷N)]×100%

(6)

式中：D為方波占空比；N為方波高電平計(jì)數(shù)個數(shù)，且0

4 系統(tǒng)測試

4.1 頻率檢測測試

完成軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)后，對樣機(jī)進(jìn)行測試，測量內(nèi)容以實(shí)際頻率100 Hz和10 kHz方波為例，占空比從20%到90%進(jìn)行測試。在測試過程中，隨機(jī)獲取數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的有效性。測試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 方波測試(100 Hz)

表2 方波測試(10 kHz)

由表1和表2測試數(shù)據(jù)可以看出，采用外部中斷與定時(shí)器外部計(jì)數(shù)結(jié)合法，測量10 kHz方波的頻率，測量誤差基本為0，總體測量誤差為1 Hz，占空比誤差0.01。樣機(jī)測試圖如圖9所示。

(a)100 Hz測量

(b)100 kHz測試圖9 樣機(jī)測試圖

4.2 方波輸出測試

便攜式多功能頻率計(jì)可輸出1 Hz～1 MHz的方波，占空比為10%～90%，實(shí)驗(yàn)以100 Hz和10 kHz為例，測試結(jié)果如表3和表4所示。

表3 方波輸出(100 Hz)

表4 方波輸出(10 kHz)

在完成占空比測試的基礎(chǔ)上，對輸出頻率的幅值進(jìn)行測試，依次測量頻率幅值為3.3、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 V下10 Hz～100 kHz的頻率測試，測試結(jié)果如表5所示。數(shù)據(jù)顯示，便攜式多功能頻率計(jì)輸出10 kHz的頻率輸出精度幾乎零誤差，總體輸出誤差為0.1 Hz，占空比精度達(dá)到0.1。

表5 方波輸出測試表

具體的測試圖如圖10 所示。

圖10 方波輸出示波器顯示圖

5 結(jié)束語

本文完成了便攜式多功能頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括電源電路設(shè)計(jì)、信號處理電路設(shè)計(jì)、波形放大電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等，并運(yùn)用示波器對系統(tǒng)平臺進(jìn)行測試和分析。實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)系統(tǒng)可測量幅值在3.3～5.5 V，頻率在1 Hz～1 MHz的方波、正弦波等信號，測量誤差達(dá)到0.1 Hz。

(2)系統(tǒng)可產(chǎn)生幅值在3.3～8.5 V，頻率在1 Hz～1 MHz的方波，且方波占空比可以通過按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)。